四足机器人对角小跑步态的研究

介绍了ＪＴＵＷＭ－Ⅲ型多关节四足步行机器人，设计了Ｔｒｏｔｔｉｎｇ步态，并完成了Ｔｒｏｔｔｉｎｇ动态步行实验，步行速度为０．２ｋｍ／ｈ，占空系数β＝０．５。     

基于虚拟仿真的四足机器人步态分析

根据观察动物行走的特点,完成一种四足机器人的行走过程仿真分析。在三维软件Pro／E中建立四足机器人分析模型,导入仿真软件MSC．ADAMS中添加约束和动力,以一定形式的步态效果实现了四足机器人在平面上的行走过程,并以机器狗模型为例子分析了它的稳定性以及在行走过程中各部分动作产生的影响。     

仿猎豹四足机器人结构设计与分析

为满足四足机器人高速奔跑运动性能所要求的脊椎具有柔性和腿结构具有良好的缓冲性能要求,在仿猎豹四足机器人上设计了一种液压驱动的柔性脊椎和腿结构.该脊椎是变截面梁,中间有柔性.该腿结构有髋关节和膝关节,有3个自由度,髋关节有2个主动自由度,即侧摆自由度和俯仰自由度,膝关节具有被动的俯仰自由度.对该脊椎进行了力学分析,对该腿结构进行了刚度特性分析和运动学分析,并对机器人进行了Bound步态仿真.仿真结果表明,这种具有柔性脊椎和非线性刚度变化的腿结构的仿猎豹四足机器人,能够以Bound步态实现较快的稳定奔跑,且足端接触力较小,由此验证了柔性仿猎豹四足机器人脊椎和腿结构的设计是有效的.      

基于时序分析的四足机器人对称步态变换

提出了一种四足机器人一般步态的时序分析方法．该方法使用8个参数描述一般步态：步态周期、前双腿落地之间的滞后时间、后双腿落地之间的滞后时间、同侧双腿之间的滞后时间以及各条腿的负荷系数．运用该方法分析了常用对称步态,经过归一化处理后得到了一个跨步周期中各腿着地和抬起的时间序列．证明了匀速情况下具有等负荷系数的两种对称步态之间只需要一个步态周期就能够完成步态变换,从而得到变换步态中各腿着地和抬起的时间序列．计算实例表明了该方法适用于分析对称步态变换．     

偏心轮腿六足机器人四足步态规划

提出了一种适用于偏心轮腿六足机器人的直行四足步态规划.以一个运动周期为例,分析了偏心轮腿六足机器人直行过程中5个阶段的运动状态,以及每个运动状态中偏心轮腿步态的参数变化并用状态矩阵加以描述.将该步态用于所设计的偏心轮腿六足机器人,在驱动电机的控制下,能保证机器人的直行前进.     

奔跑四足机器人腿结构设计与分析

针对四足机器人奔跑运动对腿结构高缓冲性能的要求,基于动物狗前腿的骨骼-肌肉生物力学特性,设计了一种奔跑四足机器人的腿结构.该腿结构有3个关节,具有3个自由度,髋关节、膝关节具有主动的俯仰自由度,踝关节具有被动的俯仰自由度.对该腿结构进行了动力学分析和刚度特性分析,并对机器人进行了bound步态的仿真.仿真结果表明,该腿结构能够实现四足机器人快速、稳定地奔跑,关节驱动力矩较小,验证了该腿结构实现四足机器人bound步态奔跑的可行性和合理性.     

四足步行机器人动步态特征辨识算法

针对四足机器人行走动步态的研究，提出了一种基于神经网络中Ｋｏｈｏｎｅｎ自组织映射的聚类算法。该算法依据其特征对步态数据进行聚类，并利用求重心的方法，获取特征模型，大大简化了调试工作。     

气动柔性关节六足机器人步态设计与实验

设计三自由度气动柔性关节六足机器人直行、原地回转以及定半径回转运动过程的步态实现方法,搭建运动学实验平台,验证所设计步态的合理性,分析最佳运动性能参数.实验结果表明:机器人步态设计合理可行,在动作频率为2 Hz,负载500 g,直行气压0.20 MPa,单次转体回转角度15°,定半径50 mm转弯下,运动性能最佳.     

液压四足机器人关键步态参数优化

针对四足液压仿生机器人walk步态中足端轨迹规划问题,提出了通过优化步高和步长这两个关键步态参数来提高机器人行走稳定性的方法。通过聚合交叉的方法进行实验设计,用速度和步长及仿真得到的评价函数值进行三维曲面拟合,用速度截取所拟合的曲面得到不同速度下的最优步长。较优的步高确定采用二分法。步高和步长的优化效果用评价函数和Adams仿真进行验证,其中评价函数的构造充分考虑了表征机器人机身姿态平稳性的多组参数;四足机器人行走的仿真实验表明使用所述方法优化后的步态参数进行足端轨迹规划,得到的机器人静步态具有优异的运动性能表现。      

神经元模型的四足机器人适应性行走控制

为了改善足式机器人的适应性行走能力,提出仿生控制和智能优化算法相结合的控制策略.利用Rulkov神经元模型对生物中枢模式发生器(central pattern generator, CPG)进行机理建模;设计了基于CPG模型的单关节和多关节耦合的网络拓扑结构,并利用多目标遗传算法优化CPG单元间的耦合系数矩阵,使得CPG网络的输出信号可以控制机器人关节按照一定的时序发生动作;设计机器人信息融合反馈系统并提出坡面适应性行走控制策略,并以四足机器人GhostDog作为实验对象,在Webots仿真平台上做实验验证.结果表明,所提出的行走控制策略可以控制机器人自主完成模式切换,具有一定的环境适应性.     

四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析

基于四足生物动态步行时其柔性机体辅助腿机构的运动机理,设计了一种由气动人工肌肉、仿生脊柱、前机体和后机体组成的四足机器人仿生柔性机体.采用几何法分析仿生柔性机体运动学,建立四足机器人转向时仿生柔性机体弯曲角与气动人工肌肉长度变化间的关系,通过控制气动人工肌肉长度以控制机体弯曲.基于浮动坐标法和动量矩定理进行仿生柔性机体刚柔耦合动力学建模,对比分析了不同机体刚度下机体弯曲所需气动人工肌肉驱动力.设计仿生柔性机体弯曲控制实验系统,采用PID控制算法进行机体弯曲实验分析.四足机器人的仿生柔性机体分析,为提高其非结构化环境机动性奠定了基础.     

基于CPG的四足机器人抗侧向冲击的动态稳定性研究

为解决四足机器人受到侧向冲击时的稳定性控制,提出了基于CPG和侧向踏步反射的控制方案:以Hopf振荡器构成的CPG网络为基础,通过为侧偏关节构造具有触发使能性质的振荡器,为四足机器人引入侧向踏步反射机制. 利用ZMP理论,引入倒立摆模型,从动力学角度预测四足机器人侧向踏步所需的步长与次数. 通过该反射,四足机器人在承受侧向冲击时产生的侧向加速度能够在较短时间内恢复正常,此后终止反射,配合正常直线行走控制方案,四足机器人就能够圆满实现在行走状态下受到侧向冲击后的稳定性控制,其抵御侧向冲击的能力显著提高. 利用Matlab与Adams联合仿真,该方案的可行性和有效性得到了可靠验证.      

基于虚拟模型的四足机器人控制策略

为提高四足机器人在对角小跑(Trot)步态下的行走稳定性,并减小控制策略的复杂程度,提出了一种基于虚拟模型的四足机器人控制策略;将四足机器人控制策略分为支撑相及机身运动控制、摆动腿相运动控制及足端轨迹规划三部分;在Trot步态下行走时支撑相中存在的前后对角支撑足,在分析四足机器人支撑足受力情况后,并添加相关的约束条件,实现了四足机器人足端力及力矩可控;并通过在四足机器人机身的质心位置添加相应的虚拟弹簧阻尼组件,实现了四足机器人姿态和高度控制;通过在摆动腿足端实际位置与环境之间添加虚拟的弹簧阻尼组件并结合足端轨迹规划实现了四足机器人柔顺行走以及足端轨迹跟踪精确性;通过Matlab和CoppeliaSim建立联合对比仿真验证了控制策略的有效性和优越性。     

提升四足机器人行走稳定性的对角步态规划方法

针对四足机器人在采用对角步态行走中容易失稳的问题,提出了通过改变对角步态中支撑足的初始位姿来改善并提升运动稳定性的方法.结合零力矩原理,找到四足机器人支撑足最佳初始膝关节转角θ₁和髋部前向关节转角θ₂,从而确定四足机器人支撑足的最佳初始位姿.仿真表明:四足机器人运动采用不同初始位姿时,运动过程中的稳定性不同.当取最佳初始位姿时,四足机器人的机身偏转量最小,稳定性最好.由此证明,通过调整支撑足的初始状态可以有效提高四足机器人在采用对角步态行走过程中的稳定性.      

基于生物中枢模式发生器原理的四足机器人

传统由人工规划产生的步态是比较僵硬的、缓慢的,缺乏灵活的自组织能力,与真正的动物步态存在很大差别.该文提出了机器人生物步态的概念.以生物的中枢模式发生器(central pattern generator, CPG)模型为核心建立四足机器人运动控制系统,建立CPG网络的权重矩阵与步态的对应关系.采用不同的权重矩阵得到四足机器人的典型步态.根据哺乳动物的肢体运动关系,建立机器人膝髋关节运动关系方程.通过仿真验证了基于生物CPG控制机理的机器人节律运动控制方法是有效的,机器人生物步态的实现是可能的.     

4足机器人腿部机构运动学分析及步态规划

为提高足式机器人的承载能力与运行稳定性,提出了一种基于3UPR并联机构的4足机器人,并对其运动性能进行分析.运用螺旋理论对该机构进行自由度分析,通过位置反解模型对机器人腿部机构进行运动学分析,得到驱动进给量和驱动速度.通过ADAMS仿真与理论计算结果的数据对比,验证模型建立的正确性.通过求解速度雅克比矩阵对机构进行奇异性分析.根据单腿的运动轨迹,对机器人进行对角步态规划.结果表明该机构具有X、Z方向转动和Y方向移动的3个自由度.该机构不存在奇异位置,且具有良好的运动性能.步态仿真结果表明,机器人可以在平地上实现平稳运动,前进速度达到135 mm/s.